Взаимообратные конфигурации

Первые экспериментальные демонстрации волоконного гироскопа [3] показали, что простому кольцевому волоконному интерферометру не присуща взаимообратность. Дополнительные интерференционные полосы были замечены на обоих каналах интерферометра, в зависимости от центровки концов волокон (Рисунок 3.3). На входе параллельный гауссовый лазерный пучок разделяется и фокусируется на обоих концах волокна с фильтром уникальной моды распространения, и, на выходе лучи рекомбинируют, смешиваясь. Небольшое изменение в выравнивании не дает резкого видоизменения мощности на входе светоделителя, но оно имеет важный эффект для выравнивания мощностей обоих фазовых фронтов, измененяя конфигурацию интерференционных полос и, следовательно, производя высокое паразитное изменение измеряемой разности фаз.

Все эти проблемы могут привести к серьезным ограничениям на высокие эксплуатационные характеристики, но они могут быть решены очень просто с так называемыми взаимообратными конфигурациями. Для этого достаточно подавать свет в интерферометр через одномодовый волновод и наблюдать интерференцию с возвратной волной, которая фильтруется через этот же волновой световод в противоположном направлении (Рисунок 3.4) [4]. В этом случае центровка необходима исключительно для того, чтобы оптимизировать пропускную способность мощности (и соответствующие соотношения сигнал / шум), которая требует трудных, но, тем не менее, разумных механических допусков (см. приложение 2). Теперь обеспечивается возвращение волн, распространяемых в противоположных направлениях, и их прекрасная интерференция, когда система находится в состоянии покоя. Это простое изменение сделало оба противонаправленные пути идентичными при нулевой ротации, давая нулевуюразность фаз. Этот общий канал ввода-вывода называется взаимообратным каналом, а другой свободный канал называется невзаимообратным каналом.

Операция по взаимообратности волоконного гироскопа не требует пространственного одномодового распространения, а просто одномодового фильтра в общем канале ввода-вывода. Чтобы разумное количество мощности должно оставаться в основной моде, свет должен идти через выходной фильтр, прекрасно устраняющий любые нежелательные сигналы. Например, при условии, что 90% света остается в основной моде, есть лишь незначительное снижение коэффициента на в теоретическом соотношение сигнал шум, тогда как отклоненные 10% может нести ложный сигнал, эквивалентный разности фаз, достигающей 0,1 рад (т.е. по меньшей мере на шесть порядков выше теоретической чувствительности).

Пространственно короткое (около 1 м) одномодовое волокно можно рассматривать как идеальный фильтр, но существует также необходимость в поляризационной фильтрации [4,5], поскольку пространственное одномодовое волокно является на самом деле поляризационным двухмодовым, волокном двулучепреломляющим (см. приложение 2), что может привести к паразитной разности фаз. Однако отклонение поляризатора на практике ограничено, и мы должны объяснить далее, как эта важная проблема может быть решена компромиссом между фильтрацией поляризации, сохранением поляризации и статистической деполяризацией. Катушка дополняется разделителем, полная конфигурация которго нуждается в обратной связи и вторым разделителем (так называемый источник разделителя) для отключения части интерференционных волн, возвращения через фильтрующий порт ввода-вывода кольцевого интерферометра. Это дает внутренние потери до 6 дБ, по существу утрачено на входе и на выходе 50% полезного света, но это очень умеренное отступление по сравнению с решающее значение улучшения, вызванного взаимностью. Обратите внимание, что возвращение мощности является максимальным, когда оба разделителя 50-50 (или 3 дБ); но это значение не нужно быть очень точным. Например, с разделителем 60-40, передача возвращающейся мощности – 24% вместо 25% с 50-50.

Примечание: Взаимность является гораздо более мощным принципом, чем этот простой случай одномодовый взаимности. Учитывая многомодовый фильтр в общем порте ввода-вывода можно показать, что свет входит в любом режиме М_i и остаток от этой моды М_i интерферометра не несет паразитной разности фаз. Этот результат является простым обобщением одномодового случая.

Однако общая линейная теория сетей [6] показывает, что существует также явление взаимности пересекающихся элементов. Свет, входя в некоторой моде М _i, переходит в другую моду M _j, так как паразитарное сопряжение осуществляет паразитный сигнал разности фаз ; но свет, входящий в M _j и проходящий через M _i получается с точно противоположной разностью фаз:

Посему, если M _i и M _j имеют равные мощности на входе и равное ослабление в системе, оба детектируемых сигнала аннулируют паразитный член благодаря .

Это относится не только к пространственным модам с многомодовых волокон [7], но и к поляризационным модам с неполяризационным источником [8]. В результате этого моды скрещиваются, что, однако, очень трудно предотвратить на практике, поскольку требуется очень хороший выравниватель энергии между модами. Проще обеспечить фильтрацию паразитных членов действительно одной моды с ослаблением от 10^{– x}, чем обеспечить несколько возбужденных мод, передаваемых в равной степени в течение 10^{– x}.